十年后电池格局将发生巨变，预计3D打印超安全固态电池将交付电动汽车用户
近日，总部位于加利福尼亚的制造公司 Sakuu 开设了新的硅谷工程中心。开幕式推进了 Sakuu 的“3D 打印平台超级工厂，被称为 Sakuu G-One”的计划。根据Sakuu，其突破性技术将通过解决之前电池制造的成本、性能、可持续性和续航里程问题，开启电动汽车和电动汽车的主流采用。
古语有云：“不谋万世者，不足谋一时;不谋全局者，不足谋一域”。本期通过Sakuu的案例，3D科学谷与谷友一起深刻理解3D打印电池的原理和优势，了解3D打印带来的面向长期可持续发展的发展理念。
▲ 粘结剂喷射3D打印技术制造固态电池
© Sakuu
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面向快速和大批量生产
根据Sakuu，现在正处于电池革命的风口浪尖。2023 年，Sakuu 的第一代超安全固态电池 (SSB) 将交付给电动汽车和储能领域的一系列客户。
Sakuu新的工程中心大楼占地 79,000 平方英尺，团队致力于电池、工程、材料科学、研发和3D打印-增材制造工作。该设施将包含用于电池生产的3D打印操作以及用于医疗设备、物联网传感器和其他电气设备的制造平台。根据Sakuu，所有的制造都是面向可持续的方式进行的。
在日本领先汽车零部件供应商 Musashi Seimitsu 的支持下，Sakuu 将实现 3D 打印固态电池 (SSB) 的快速和大批量生产，与锂离子电池相比，具有相同容量但尺寸减半，几乎轻了三分之一。
根据3D科学谷的市场观察，自2020 年8 月开始开发以来，Sakuu 电池的 Wh/L 能力呈指数级增长，并且随着 2022 年 2 月完成的最新基准测试，它比领先的商用电池更有希望。
其第一代非打印锂金属电池的能量密度达到了 800 Wh/L 的基准。这意味着Sakuu到2023 年实现超过1200 Wh/L的全3D打印固态电池路线图的重要里程碑的计划在望。根据3D科学谷到目前为止，市场领先的锂离子电池，如当今最畅销的电动汽车中的锂离子电池，大多在500–700 Wh/L的范围内发挥作用。
除了800Wh/L基准外，目前的测试Sakuu第一代锂金属电池在200次循环后还表现出 97% 的高能量保持率。电池在保持无枝晶的同时，预计在循环完成后在800次循环中记录80% 的保留率。
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下一步，Sakuu预计其第二代全3D打印SSB的能量密度将再次大幅飞跃，样品电池交付将于 2023 年初开始。世界上第一款由Sakuu 的 Kavian™ 平台诞生的 3D 打印电池将提供快速、大规模的交付能力，在超级工厂环境中批量生产电池，支持大规模、低成本3D打印电池制造。
Sakuu希望成为人类重塑可持续能源生产的一部分。Sakuu的使命是建立一个由变革性产品驱动的品牌，这些变革性产品可以为社会和环境变化留下有影响力的遗产。
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根据3D科学谷的了解，Sakuu 的“KeraCel™”品牌 SSB 电池以使用约 30%-50% 的材料（可在当地采购）以实现与锂离子选项相同的能量水平，从而显着降低生产成本。此外，Sakuu 的 SSB 将提供更高的安全性和可持续性优势。
平台赋能大规模3D打印生产
可以想象，3D打印固态电池是极具创新性的理念。但在更基础的层面上，电池打印需要一个 3D 打印平台：这就是Sakuu推出的Kavian平台。
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Kavian 平台将多种工艺和材料集成在一个平台中，以大规模打印功能齐全的电池。Kavian 平台可以在同一层打印陶瓷、玻璃、金属和聚合物。该平台对更大的区域使用粘结剂喷射3D打印技术，并为更精细的细节使用不同的材料喷射。
传统的增材制造工艺依次执行每个3D打印步骤，然而，通过Kavian平台可以贯穿并行执行所有步骤，实现了一个简化的模型，可以节省能源、成本、劳动力、材料和时间，同时提高质量和可靠性。
传统的电池制造具有显着的局限性：能源使用和碳排放、工厂占地面积大、材料浪费和效率低下、供应链依赖性、无法定制电池形状和尺寸、模具成本高、扩张受限。这些只是生产固态电池的一些挑战，Sakuu希望通过其Kavian平台解决所有这些痛点。
3D科学谷了解到通过本地化的超级工厂和规避常见供应链问题的生产模式，可持续地、经济高效地大批量生产电池，并具有更大的供应链弹性。通过这种新颖的增材制造工艺生产电池，电池可以在国内大规模生产，以快速供应面临需求激增的行业，例如电动汽车制造商。
“不谋万世者，不足谋一时”，3D打印技术带来资源利用的可持续性，Kavian 平台中使用的材料可以分解和重复使用，从而以不到 1% 的材料浪费实现更可持续的生产。
根据3D科学谷《3D打印在新能源汽车制造领域的发展与趋势》一文，近期内3D 打印电池的进步表明，未来可能会出现更便宜、能量密度更高的电池，这些电池可以根据应用和形状进行定制。
好处加起来令人印象深刻：与传统的电池制造相比，预计 Kavian平台赋能的制造工艺步骤减少 69%，工厂占地面积减少 44%，制造成本降低 33%，资本支出降低 23%。此外，定制的灵活性也是 3D 打印电池的核心优势。
Kavian 平台独特的增材制造功能允许定制电池形状和尺寸，使电池成为核心产品设计的一个组成部分（而不是笨重的组件）。定制电池还可以提供更高的性能，减轻重量，并更好地利用产品设计中的空白空间。
从对地球资源利用的可重复性、可持续性的坚定承诺开始。这是Sakuu的驱动力，也是Sakuu如此致力于开创尚不存在但应该存在的3D打印电池技术的原因。
3D科学谷了解到Sakuu的创始团队来自丰富的半导体行业，在将复杂设备的大规模生产带入人类生活取得了公认的成就。在大规模精密技术生产所需的极其严格和对细节的关注方面拥有深厚的应用经验。
根据Sakuu，十年后，电池和能源格局将发生转变，预计到2023年，Sakuu的第一代超安全固态电池 (SSB) 将交付给电动汽车和储能领域的一系列客户。预计全球几家计划中的Sakuu千兆瓦工厂中的第一家将破土动工。
到2028 年，预计通过Sakuu的超级工厂实现60GWh 的年电池产量目标。大规模交付行业领先的电池将对电动汽车行业产生重大影响。安全、可持续和高性能的SSB3D打印固态电池的到来可以解决该行业供应链和安全问题的困扰，从而推动超越当今常见但限制锂离子电池利用率的进步。
锂离子电池3D打印正在加快发展
根据3D科学谷的市场观察，3D打印用于电池的制造可以划分为两大派系，第一大派系如正文说提到的通过创建复杂的几何形状提升锂电池的容量和充放电效率。第二大派系是通过3D打印诸如石墨烯等其他材料来寻找一种替代锂电池的方法。不过目前主流发展方向是第一大派系3D打印锂电池方向。
另外一家，黑石资源计划于 2025 年推出的3D打印钠离子电池中获利。此外，根据3D科学谷《能源部90万美元资助加州大学材料科学家开发3D 打印锂离子电池》一文，作为美国能源部资助清洁能源技术研究的 5790 万美元计划的一部分，加州大学洛杉矶分校Samueli工程学院的材料科学家Bruce Dunn 和Morris Wang以及劳伦斯利弗莫尔国家实验室的同事从美国能源部获得90万美元的资助展示用于制造锂离子电池的新设计和3D打印工艺。
而根据3D科学谷的市场观察，美国能源部已经直接参与投资了一家锂电池3D打印企业。总部位于加利福尼亚州和亚利桑那州的电池公司 Ampcera与劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的合作伙伴一起从能源部获得了 150 万美元的资金，用于使用低成本的干式增材制造工艺开发具有更高功率和能量密度的更安全的锂电池。3D打印锂电池有可能彻底改变固态电池的规模制造方式，具有本质安全性、超过 450 Wh/kg 的高能量密度和低于 75 美元/kWh 的低成本。这对于想要更轻电池的市场需求来说是个好消息。而LLNL 与 Ampcera 的合作将加速用于高性能锂电池制造的超快速和低成本增材制造技术的开发和商业化。
面向更好的产品性能，更环保的生产工艺，更可重复利用的材料，更可持续发展的制造，3D打印电池或改写人类获取地球资源的方式，留给后代子孙更美好的地球。关于3D打印电池的后续发展，3D科学谷将保持持续关注。
知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。
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